CN101378875A - 利用具有至少一条基于镱的纤维的激光器的切割方法，其中至少激光源的功率、聚焦束直径和束品质因数受到控制 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用激光束切割部件的方法，涉及采用包括至少一条基于镱的纤维的波长介于1和4μm之间的激光束产生装置产生激光束。激光束被选择为具有：低于100kW的功率；至少1MW/cm2的功率密度；至少0.1mm的聚焦束直径；以及小于10mm.mrad的品质因数(BPP)。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用基于镱的纤维激光源进行激光切割的方法。
背景技术
采用产生波长为10.6μm、功率当前达到6kW的激光束的CO2激光源的激光切割被光泛应用于工业中，这是因为这种类型的激光源具有良好的束特征，即良好的品质因数(M2、BPP等等)和良好的空间能量分布(TEM01＊)。
可采用这些CO2激光源切割金属及其合金例如铝及其合金、不锈钢、碳钢、低碳钢等等，或者任何其它非金属材料例如木材、木板、陶瓷。
但是根据待切割的材料，以及根据所采用的切割方法参数，例如辅助气体性质、聚焦束的直径和入射激光的能量，可获得的切割速度及其所产生的切割质量变化很大。此外，光路必须必要地被保持在惰性气体中以避免任何污染并保存由于良好地传播束所需要的光学折射率恒定的介质。
在试图解决这些问题时，提出了在激光切割时采用Nd:YAG激光设备。这种情况下，产生束的谐振器容纳作为钕(Nd)棒的固态放大介质，并且如此获得的束然后经光纤被发送至聚焦头。
但是，从工业角度而言该解决方案不令人满意，因为其在切割质量和切割速度方面较差，这不仅由于不适合于激光切割的束品质因数(BPP)，还由于束的横向能量分布不是高斯而是“礼帽”形分布，而在焦点外，横向能量分布甚至是随机的。
因此所出现的问题在于如何提供一种改进的激光切割方法，该方法没有上述缺点和限制，并且可根据所讨论的厚度获得高达15至20米/分钟或者更高的速度，并且可获得良好的切割质量，即整齐的切割平面而没有芒刺和有限的粗糙度。
发明内容
因此，本发明的解决方案为一种激光切割方法，其中采用包括至少一条含镱纤维的激光束产生装置，以产生用于熔化工件从而进行实际切割的激光束。
更具体是，本发明涉及一种以激光束切割工件的方法，其中采用包括至少一条含镱纤维、波长介于1和4μm之间的激光束产生装置产生激光束。
根据本发明，激光束被选择为具有:
-低于100kW的功率；
-至少1MW/cm2的功率密度；
-至少0.1mm的聚焦束直径；以及
-小于10mm.mrad的品质因数(BPP)。
此外，根据本发明，激光束产生装置包括至少一个激发器元件，优选数个激发器元件，其与至少一个受激发元件(也称为放大介质)协作，以产生激光束。激发器元件优选为数个激光二极管，而受激发元件(一个或多个)优选为一条具有镱芯的石英纤维或者优选为多条这样的纤维。
另外，在本发明的上下文中，术语“激光束产生装置”和“谐振器”将不进行区分。因为放大介质为芯部基于镱的特别光纤的阵列，所以这种激光源通常称为“纤维”激光或者“镱纤维”激光源。
根据情况不同，本发明的方法可包括一个或多个下面的特征:
-从包覆有石英的掺杂镱的芯形成纤维；
-由基于镱的纤维所产生的激光束的波长介于1.04和5μm之间、优选介于1.07和1.1μm之间，更优选等于1.07μm；
-激光束的功率介于0.1和40kW之间，优选介于0.5和15kW之间；
-激光束为连续或者脉冲、优选为连续；
-切割速度介于0.1和20米/分钟之间，优选从1到15米/分钟；
-激光束的辅助气体选自氮气、氦气、氩气、氧气、CO2及其混合物，并且其可选地还包括一种或多种选自H2和CH4的其它化合物；
-更一般地，辅助气压介于0.1bar和25bar之间，并且根据待切割的厚度选择该气压；
-气体注入口的直径介于0.5和5mm之间，通常介于1和3mm之间；
-激光的品质因数(BPP)介于1和8mm.mrad之间，优选介于2和6mm.mrad之间；
-激光束的功率密度介于1.5和20MW/cm2；
-聚焦束的直径介于0.1mm和0.5mm之间，优选介于0.13和0.40mm之间；
-激光束的Raleigh长度(Zr)介于1和10mm之间，优选介于2和7mm之间；
-束的角孔径(θ)介于0.25°和5°之间，对应于通过聚焦激光束的直径(2W0)除以金属片或板的厚度(E)所限定的角度的角度(α)介于1.25°和8°之间，从而使得角度之和(α+θ)介于1.5°和8°之间；以及
-待切割的工件的厚度介于0.25和30mm之间，优选介于0.40和20mm之间。
具体实施方式
实际上，在切割过程中起作用的激光辐射的主要特征为激光波长、束的品质因数(M2、K、BPP)、在源出口所测量的束直径、激光入射功率和将激光聚焦在待切割材料的表面附近的方法。
镱“纤维”激光源的波长通常接近于Nd:YAG激光的波长，即在1.07μm左右。
一般，对于这种镱纤维激光源，采用BPP(束参数乘积)表征束的品质。BPP定义为束腰处的束直径和其发散角的乘积。以mm.mrad表示BPP。BPP越小，则束品质越好。
从工业角度而言，这些镱纤维激光源具有如下优点，经靠近工作区的光纤与聚焦系统垂直地传播同时仍然保持良好的束品质。在源出口可获得的束直径然后等于传输其的光纤有用直径。
这些束的功率水平和品质因数对激光切割过程令人满意，特别是对切割速度和切割质量而言。以这种光源获得的功率水平介于100W和40kW之间，其品质因数(BPP)在0.3mm.mrad与15mm.mrad之间变化。另外，传播光纤的直径随着其必须传播的激光功率而变化。功率越高，纤维直径越大。
因此，例如对于2kW的功率，所使用的纤维将具有50μm的直径和2mm.mrad的BPP，而对于4kW，其直径将为100μm、其BPP将为4mm.mrad。
而且，与所使用的源的类型无关，必须通过聚焦装置对源所输出的激光束聚焦，例如透镜或者特别光学系统例如反射镜。聚焦光束的特征随着所使用透镜的性质而变化，从而调节激光切割性能。透镜的选择和其聚焦束的应用为本领域技术人员的公知常识的一部分。
实际上，可通过改变产生激光束的源中所包括的基元纤维数而改变纤维激光源的BPP。这是因为每条基元纤维都通常产生BPP大约为0.3mm.mrad的单模束。因此，纤维数和将其“捆扎”在一起的方式产生不同的BPP值。这些基元纤维激光又被通过各种方式注入传播光学纤维中。该传播光纤的直径越大，则输出束的BPP越高。因此，对于指定的功率，可在非常大的范围上改变BPP从而选择所期望的BPP，即根据本发明的BPP，其小于10mm.mrad、优选介于1和8mm.mrad之间、更优选介于2和6mm.mrad之间。
该束通常被两个光学透镜聚焦在待切割的材料上，由本领域技术人员根据经验确定光学透镜的特征以在工件上获得期望直径的聚焦点、即至少0.1mm的聚焦束直径。这些直径通常取决于传播纤维的出口直径、所选择的焦距长度和纤维出口的BPP。
最后，平均功率密度为激光束的功率与以该激光束获得的聚焦点面积之比，因此其取决于聚焦点直径。确定这些参数对本领域技术人员而言没有特别的困难。
聚焦激光束通常具有如下定义的角孔径(2θ):
tan(θ)＝ 1/2 D/F
如图2所图示，这里D为入射至透镜表面的束直径，F为透镜焦距
激光切割过程的性能直接取决于材料对激光能量的吸收。如上所述，该吸收根据待切割材料性质、激光束特征、特别是波长而变化，而且该吸收还随束和待切割材料之间的入射角及其偏振变化。
因此，如在“Laser with different wavelengths-implication for variousapplications”(F.Dausinger，Stuttgart University，ECLAT 90，Vol.1，3rdConference on Laser Treatment of Materials，第1-14页)中所述，图5示出了CO2激光束和Nd:YAG激光束的吸收随其入射角及其偏振的变化。
非常接近于Nd:YAG激光的1.06μm波长的镱纤维激光的1.07μm波长示出了和Nd:YAG相似的最大能量吸收，但是其入射角与CO2激光的不同。
在切割过程中，在固态金属和液态金属之间建立称为“切割前部”的稳态边界区。所建立的前部取决于光束前进的速度及其特征，而角度α在切割的整个长度上不变。
图3所示出的最大角度α被定义为在以最大选择的切割速度切割期间熔融金属前部所形成角度对应的理论值，从而:
tan(α)＝2W0/E
这里2W0对应聚焦光束的腰，而E对应待切割工件的厚度。
对于指定的激光束而言，待切割的金属片或者板的厚度(E)越大，则角度α越小。对指定厚度的待切割材料而言，聚焦点越大，则角度α越大。
因此通过角度(α+θ)限定束相对于前部的最大入射角。该角对应于激光束的极值射线与切割前部的角度。
切割过程另一个重要的方面在于没有大变化地在材料厚度芯中分配激光能的能力。Raleigh长度、或者场深度为沿着束传播轴距腰的距离，在该轴上束直径不会增大超过5％。
认为能量分布在该区域内变化不大，并且该值必须与待切割材料的厚度相关联。
Raleigh距离Zr可通过下式与束品质因数BPP关联:
Zr＝W0 2/BPP
其中，W0为束腰的直径。
因此非常重要的是，如果期望改进切割方法则考虑品质因数并因此考虑Releigh长度。
因此，将理解还有必要考虑聚焦激光束的直径φ以希望改进切割方法，这是因为该参数对角度α有直接影响并因此通过和α+θ对束的吸收有直接影响。
源于此，最特别地考虑到这些各种参数，通过特别采用下表所给出的参数和条件进行下面列出的比较实验。
在这些实验中，采用图1所示出的装置以通过激光束3切割不锈钢工件10。该装置包括具有谐振器2的2kW激光源1或者激光束产生装置，其包括用于产生波长为1.07μm的激光束3的具有镱掺杂芯的石英纤维。
束3经束传输装置4传播至束3和工件10相互作用的区域11，在那里束到达待切割的工件并熔化所述工件的组成材料，因而逐渐地通过移动前部形成切面，其中，所述束传输装置4例如为由熔融石英制成的光纤维，其直径根据不同的情况为50μm或者100μm。
在离开该纤维4时，根据所讨论的纤维直径，激光束3分别具有特定光学特征和2或者4.2mm.mrad(±0.2mm.mrad)的品质因数(BPP)。然后使用光学准直器5对束3进行准直，以限制离开纤维的束的发散并使得激光束平行，所述光学准直器5配置有由涂敷熔融石英制成的校准对。
根据图2和3所图示示出的原理，平行束3然后被如下表所示焦距介于5mm和7.5mm之间的涂敷熔融石英透镜6聚焦至厚度为E的待切割工件10上或者工件10内。在到达工件10之前，束3轴向通过激光器头部5，该激光器头部配置有包括正对待切割工件10的轴向出口8的喷嘴7，束3和辅助气体通过所述出口。喷嘴的出口可介于0.5mm和5mm之间，优选介于1mm和3mm之间。
激光器头部5本身经气体入口9被供应辅助气体，例如如氮气、氩气、氦气或者若干这些气体的混合物的惰性气体，或者有源气体例如氧气，或者甚至有源气体/惰性气体混合物，根据待切割的材料选择所使用的气体。
因为工件沿着期望切割路径相对于激光器头部5相对位移，所以加压的辅助气体被用于从在工件10中形成的斜面12去除熔融的金属。在保持工件静止的同时移动切割头部的相反方案也产生相同的结果。
下表中给出了其它参数(Zr、BPP、角度等等)的值。
对厚度介于1.5mm和6mm的不锈钢工件进行切割实验。
所使用的气体为氮气，其经激光切割喷嘴以在0.6和25bar之间变化的气压被注入其中束与工件相互作用的区域，所述喷嘴对于1.5和2mm厚度具有直径为1.5mm的出口，对于4和6mm厚度具有直径为2mm的出口。
图4中绘制了就切割质量而言获得良好结果的结果。可以看到，外推超出所获得结果的点的曲线验证了在y轴上绘制的角度之和(α+θ)与在x轴上绘制的待切割工件的厚度(E)之间存在紧密关系。
换言之，所获得的结果表明，只有当满足下面所有或者一些条件时，以波长为1.07μm的镱“纤维”类型激光束源进行的切割才是令人满意的:
-束功率介于1和100kW之间；
-聚焦的功率密度至少为1MW/cm2、优选介于1MW/cm2和100MW/cm2之间、有利地至少为3MW/cm2或者甚至至少为3.2MW/cm2；
-聚焦激光束的直径(φ)至少为0.1mm，优选从0.15至0.3mm；
-品质因数(BPP)小于10mm.mrad、优选从1.5至6mm.mrad；
-角度的和(α+θ)必须遵循下面的变化曲线，即对于厚度介于1mm和15mm之间的板该角度介于1°和8°之间；
-Raleigh长度Zr介于0.1mm和40mm之间，并且对应于待切割的金属片或者板的厚度E的至少一半有利地选择Zr值。
因此，例如，可提及在表格中示出的最后两组参数，其提供了具有斑点的切割。分析表明其不满足上述标准，特别是在角度(α+θ)和切割厚度之间没有对应性，并且功率密度太低。
Claims (11)
1.一种以激光束切割工件的方法，其中采用包括至少一条含镱纤维、波长介于1和4μm之间的激光束产生装置产生激光束，其特征在于所述激光束被选择为具有:
低于100kW的功率；
至少1MW/cm2的功率密度；
至少0.1mm的聚焦束直径；以及
小于10mm.mrad的品质因数(BPP)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述纤维由包覆有石英的掺杂镱的芯形成。
3.根据权利要求1和2中任一项的方法，其特征在于，由所述基于镱的纤维所产生的激光束的波长介于1.04和3μm之间，优选为1.07μm。
4.根据权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于，所述激光的品质因数(BPP)介于1和8mm.mrad之间，优选介于2和6mm.mrad之间。
5.根据权利要求1至4中任一项的方法，其特征在于，所述激光束的功率介于0.1和40kW之间，优选介于0.5和15kW之间。
6.根据权利要求1至5中任一项的方法，其特征在于，所述激光束的功率密度介于1.5和20MW/cm2之间。
7.根据权利要求1至6中任一项的方法，其特征在于，所述聚焦束的直径介于0.1mm和0.50mm之间，优选介于0.13和0.40mm之间。
8.根据权利要求1至7中任一项的方法，其特征在于，所述激光束的Raleigh长度(Zr)介于1和10mm之间，优选介于2和7mm之间。
9.根据权利要求1至8中任一项的方法，其特征在于，所述束的角孔径(θ)介于0.25°和5°之间，对应于通过聚焦激光束的直径(2W0)除以金属片或者板的厚度(E)所限定的角度的角度α介于1.25°和8°之间，从而使得角度之和(α+θ)介于1.5°和8°之间。
10.根据权利要求1至9中任一项的方法，其特征在于，用于所述激光束的辅助气体选自氮气、氦气、氩气、氧气、CO2及其混合物，并且其可选地还包括一种或多种选自H2和CH4的其它化合物。
11.根据权利要求1至10中任一项的方法，其特征在于，所述待切割的工件的厚度介于0.25和30mm之间，优选介于0.40和20mm之间。
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